深埋富水巖溶隧道帷幕注漿參數(shù)優(yōu)化分析

宋之恒，余化彪，周 游，周宏根，文海榮

(云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，西南巖溶地區(qū)修建了越來越多的深埋富水巖溶隧道。在這些富水隧道的施工過程中，涌水、涌泥等問題往往制約著工程的順利進(jìn)行，且容易造成隧道施工事故，造成重大傷亡。因此，深埋富水巖溶隧道施工中的關(guān)鍵問題是如何控制隧道內(nèi)的涌水涌泥。

從國內(nèi)外研究可知，在隧道圍巖內(nèi)注漿可以加固裂隙巖體，控制巖溶水災(zāi)害[1-4]。通常做法是根據(jù)隧道的水文地質(zhì)條件和隧道涌水涌泥的特點，采用靜壓注漿法或高壓噴射注漿法將預(yù)配置的滲透漿液注入含水層，這一過程利用圍巖形成一定強(qiáng)度的水道，以確保其穩(wěn)定性并控制涌水。蹇宜霖等[5-7]利用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)和理論分析方法對穿越高壓富水區(qū)隧道工程進(jìn)行注漿參數(shù)研究；華福才等[8-9]的研究主要側(cè)重于理論分析和數(shù)值模擬，研究了注漿圈相關(guān)參數(shù)的改變對隧道涌水和內(nèi)部水壓力的影響。張成平等[10]依據(jù)地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，分析確定了合理的注漿參數(shù)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)評價了注漿效果；李鵬飛等[11]以廈門翔安海底隧道為研究對象，對海底隧道復(fù)合襯砌水壓力分布規(guī)律展開了研究，此外基于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對如何合理確定注漿加固圈參數(shù)進(jìn)行了研究。然而，目前對圍巖注漿方法的研究大多是基于注漿材料的研究，而對注漿參數(shù)優(yōu)化或注漿效果的研究相對較少，且大部分確定的注漿參數(shù)取決于工程經(jīng)驗。

鑒于對注漿參數(shù)優(yōu)化或注漿效果的研究相對較少，本文以成都至貴陽高速鐵路的應(yīng)山巖隧道的修建為研究案例，利用鉆孔所揭示的溶洞形態(tài)等特征，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)測，采用帷幕注漿控制涌水和掘進(jìn)工作面的穩(wěn)定性。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，本文優(yōu)化了注漿參數(shù)，最終確定合理的注漿參數(shù)。本文的研究成果可為這種深埋、高壓、富水隧道的施工提供參考。

1 項目背景及數(shù)值模型

1.1 工程概況

應(yīng)山巖隧道平導(dǎo)位于四川省興文縣大壩苗族鄉(xiāng)及云南省威信縣舊城鎮(zhèn)境內(nèi)，平導(dǎo)設(shè)置在應(yīng)山巖隧道進(jìn)口端線路前進(jìn)方向左側(cè)30 m，全長2 164 m，起點對應(yīng)正洞里程D2K254+362 m，單車道段襯砌凈寬5.0 m、凈高6.0 m，采用無軌單車道運(yùn)輸，隧道巖溶發(fā)育，隧道所處位置地質(zhì)有灰?guī)r、泥巖、頁巖夾砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r和煤層等，拱頂最大深度約250 m。

在距離隧道進(jìn)口右側(cè)30～142 m的一個大洼地發(fā)育有一溶洞，隧道工作面前方3～30 m處有一個富含水溶性泥漿的空腔，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔的具體情況和超前地質(zhì)預(yù)報可以粗略推斷空腔充填體分布形式和尺寸，隧道出口空腔如圖1所示。處理空腔充填體的主要難點是初期泥漿壓力大、排量大、預(yù)排水工作量大、現(xiàn)場作業(yè)危險，且充填體空穴分布比隧道輪廓范圍寬，加之隧道圍巖強(qiáng)度低，造成開挖支護(hù)難度高，在空腔充填體內(nèi)溶解水最初釋放后，會形成大面積的孔隙，如果處理不當(dāng)，極易引起隧道內(nèi)滑坡和突水突泥，影響隧道安全。

圖1 隧道出口空腔示意Fig.1 Schematic diagram of cavity at the tunnel exit

通過方案比選，考慮到上述困難和潛在風(fēng)險，選擇帷幕灌漿作為加固措施處理隧道工作面富水溶洞，然后根據(jù)隧道支護(hù)參數(shù)采用臨時支護(hù)方法對Ⅴ級圍巖段進(jìn)行開挖。

1.2 有限元模型

本文研究思路是根據(jù)隧道所處地質(zhì)條件，對隧道注漿段注漿施工進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析注漿斷面開挖和注漿參數(shù)對帷幕注漿的影響。因此，本文設(shè)計了多種工況的模擬，主要用于研究不同注漿參數(shù)下隧道周邊滲流場、位移場和塑性區(qū)之間的相對關(guān)系。

利用有限元軟件ABAQUS對應(yīng)山巖隧道建立三維模型，模型尺寸100 m×100 m×50 m。其中，模型最大高度為100 m，模型表面由實際地形條件模擬，網(wǎng)格單元是線性的，由四面體型C3D4P組成，本構(gòu)模型是理想的彈塑性摩爾—庫侖模型，模型如圖2所示。

圖2 隧道模型Fig.2 Tunnel model

材料的物理力學(xué)參數(shù)：密度2.5 t/m3，彈性模量6 GPa，泊松比0.25，內(nèi)摩擦角50°，黏聚力0.7 MPa，滲透系數(shù)3.06×10-5m/h，與地質(zhì)物探資料相符。

計算模型的邊界條件：位移邊界采用位移約束，即限制左右邊界的X方向位移，限制底部邊界的Y方向位移，并使頂面自由。在滲流邊界及其底部周圍設(shè)置透水邊界，允許周圍巖溶水和裂隙水輸送到計算模型。因此，流體可能流入(或流出)模型的邊界。注漿范圍距離隧道開挖輪廓5 m，注漿加固圈模型如圖3所示。

圖3 注漿圈模型Fig.3 Grouting circle model

2 注漿模型分析

本文主要分析了無注漿和全斷面帷幕注漿2種工況，無注漿工況下，注漿加固圈的參數(shù)與圍巖中的參數(shù)相同；對于全斷面帷幕注漿工況，注漿圈參數(shù)的設(shè)置：密度為2.6 t/m3，彈性模量為6.1 GPa，泊松比為0.2，內(nèi)摩擦角為41°，黏聚力為0.8 MPa，滲透系數(shù)為3.06×10-6m/h。

2.1 孔隙水壓力結(jié)果分析

利用有限元分析結(jié)果，對位于隧道中段25 m的隧道開挖段進(jìn)行了研究，分析了其力學(xué)和滲流特性。如圖4所示，在無注漿的情況下，在5 m的隧道開挖范圍內(nèi)，最大孔隙壓力出現(xiàn)在隧道低部下方5 m，孔隙壓力為0.147 MPa，而在全斷面帷幕注漿下，注漿加固圈為5 m，最大孔隙壓力出現(xiàn)在橫向注漿加固圈的底部，孔隙壓力為0.155 MPa，由此可見在全斷面帷幕注漿下圍巖孔隙壓力比無注漿時大，說明注漿堵水能起到阻止圍巖裂隙水進(jìn)入隧道內(nèi)部的效果，從而導(dǎo)致圍巖孔隙壓力增大。

圖4 隧道開挖5 m范圍內(nèi)孔隙水壓力的分布Fig.4 Tunnel excavation 5 m within the scope of the distribution of pore water pressure

2.2 滲流速度結(jié)果分析

流速矢量如圖5所示。由圖5可知，在無注漿和全斷面帷幕注漿時，隧道內(nèi)涌水的最大流速均出現(xiàn)在拱腳，無注漿時最大流速為1.560×10-4m/s，全斷面帷幕注漿時最大流速為1.395×10-5m/s，通過對比分析表明，全斷面帷幕注漿時隧道的最大涌水流量明顯小于無注漿時，且兩者相差一個數(shù)量級。結(jié)果表明，隧道注漿能有效降低涌水流速，起到堵水作用，有利于隧道施工。沿著拱頂至左壁底部至拱底的路線提取涌水流速繪制成流速曲線，如圖6所示。從圖6中可發(fā)現(xiàn)，無注漿時滲流速度曲線存在尖點，表明隧道拱腳流速變化較大，會發(fā)生大量局部滲流，影響襯砌穩(wěn)定性，而全斷面帷幕注漿中流速曲線的變化較為平穩(wěn)，有利于襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此，根據(jù)全斷面帷幕注漿的結(jié)果，本文采用全斷面帷幕注漿法對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 流速矢量Fig.5 The velocity vector diagram

圖6 流速曲線Fig.6 Velocity curve

3 全斷面帷幕注漿參數(shù)的優(yōu)化分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，本文對隧道注漿效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要通過數(shù)值分析對注漿加固圈進(jìn)行研究，而注漿加固圈厚度可影響隧道滲透系數(shù)的大小。因此，可通過數(shù)值分析優(yōu)化注漿參數(shù)的滲透系數(shù)以得到一個合理的注漿加固圈，以優(yōu)化隧道施工。

3.1 注漿圈滲透系數(shù)的優(yōu)化分析

利用數(shù)值模擬結(jié)果分析了位于注漿加固圈5 m處的孔隙水壓力和滲流速度，已知Kr為圍巖滲透系數(shù)，Kg為注漿圈滲透系數(shù)，保持圍巖滲透系數(shù)不變，令Kr/Kg為2、4、6、8、10、12、14、16、18、20，由此繪制了孔隙水壓力、滲流速度與注漿圈滲透系數(shù)的關(guān)系圖(圖7、圖8)。從圖8可看出，當(dāng)滲流速度減小時，最大減小幅度出現(xiàn)在隧道頂部，故選取滲流速度作為研究對象，計算滲透系數(shù)變化時滲流速度的下降幅度。

由此獲得最有效的滲透系數(shù)：

(1)

圖7 孔隙水壓力與注漿圈滲透系數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between pore water pressure and the permeability coefficient

圖8 滲流速度與注漿圈滲透系數(shù)的關(guān)系Fig.8 Seepage velocity and coefficient of permeability of grouting circle

式中，當(dāng)滲透系數(shù)的比值為n時，ηn為滲流速度的下降幅度；vn為滲流速度；當(dāng)滲透系數(shù)之比為1時，v1為滲流速度，即初始滲流速度。

通過提取數(shù)據(jù)計算得到滲透速度降低的幅度，見表1。

表1 滲流速度的減小幅度Tab.1 Decrease of seepage velocity

從圖7和圖8可以看出，當(dāng)滲透系數(shù)的比值增大時，孔隙水壓力在增大，而滲流速度在減小。從表1得出，當(dāng)滲透系數(shù)比增加到4時，滲流速度的減小幅度減緩，表明注漿加固圈系數(shù)對滲流速度的影響是不連續(xù)的。所以，滲透系數(shù)比為4是滲流速度減小幅度的拐點，注漿圈滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)的1/4是較為經(jīng)濟(jì)合理的。

3.2 注漿圈厚度的優(yōu)化

為了研究注漿加固圈對滲流速度的影響，控制圍巖和注漿圈的滲透系數(shù)不變，調(diào)整了注漿加固圈的厚度，令注漿加固圈的厚度分別為2、4、6、8、10、12 m。最終得到滲流速度與注漿加固圈厚度的關(guān)系曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，當(dāng)注漿加固圈厚度增加時，滲流速度減小，曲線以凹函數(shù)形式出現(xiàn)。當(dāng)注漿加固圈厚度大于4 m時，隧道底部和拱腰處滲流速度顯著降低，表明隧道底部和拱腰處注漿加固圈流速顯著，而對拱頂流速的影響相對較小，因此注漿加固圈最優(yōu)厚度應(yīng)為4 m。

圖9 滲流速度與注漿加固圈厚度關(guān)系Fig.9 Relationship between seepage velocity and thickness of grouting reinforcement ring

3.3 圍巖滲透系數(shù)的影響

通過計算隧道開挖后滲流速度，確定圍巖滲透系數(shù)的變化對隧道開挖的影響，并對厚度為5 m的注漿加固圈和未注漿時的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。根據(jù)數(shù)值模擬的滲透系數(shù)和滲流速度變化范圍，選取了3組數(shù)據(jù)，滲透系數(shù)分別為3.05×10-5、1.2×10-6、2.55×10-7m/h，注漿加固圈厚度為5 m時滲透速度與圍巖滲透系數(shù)的關(guān)系如圖10所示。從圖10可以看出，隨著圍巖滲透系數(shù)的增大，滲流速度也隨之增大，且無注漿時的滲流速度比注漿時顯著增大。

圖10 滲流速度與圍巖滲透系數(shù)的關(guān)系Fig.10 Relationship between seepage velocity and permeability coefficient of surrounding rock

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件ABAQUS對應(yīng)山巖隧道帷幕注漿進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過對數(shù)據(jù)的分析和2種工況的比較，可以看出注漿加固圈降低了涌水流速，從而有效地控制了滲流。但是隧道注漿雖然降低了涌水流速，但由于注漿加固圈中的孔隙水壓力增加，注漿加固圈必須承受更大的壓力。通過對數(shù)值模擬注漿數(shù)據(jù)和理論分析的綜合總結(jié)，進(jìn)行了以下注漿優(yōu)化。

(1)當(dāng)滲透系數(shù)比增加到4時，滲流速度的減小幅度減緩，表明注漿加固圈系數(shù)對滲流速度的影響是不連續(xù)的，所以滲透系數(shù)比為4是滲流速度減小幅度的拐點，注漿圈滲透系數(shù)是圍巖滲透系數(shù)的1/4較為經(jīng)濟(jì)合理。

(2)當(dāng)注漿圈位于隧道輪廓的4 m范圍內(nèi)時，注漿堵塞效果最為顯著。建議將注漿范圍縮小到4 m以內(nèi)，這樣可以降低工程材料的成本。

(3)隧道設(shè)計中提供的最終注漿壓力數(shù)據(jù)為2.0 MPa，但實際計算的最大孔隙壓力僅為0.155 MPa。當(dāng)注漿壓力過大時，原始完整巖體可能會發(fā)生破裂，導(dǎo)致巖溶或巖溶軟弱巖石破壞，從而導(dǎo)致它們連接，這樣會顯著增加注漿量。因此，考慮到數(shù)值模擬的不確定性，修正優(yōu)化后的最終壓力為1 MPa。